CN101954536B - 一种小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，属于小直径管嘴与铝合金薄壁结构的加工方法领域。其特征在于：它采用以下步骤来实现：1.加工铝合金薄壁结构（3）；2.加工小直径管嘴（2）；3.装配定位铝合金薄壁结构（3）；4.将小直径管嘴（2）装配到铝合金薄壁结构（3）的安装孔内；5.对小直径管嘴（2）与铝合金薄壁结构（3）结合处进行焊接；6.打磨去除焊缝的正面凹陷和反面飞溅及丁尖状焊漏。本发明的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，工艺简单、焊缝质量高、工件变形小。

Description

一种小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法

技术领域

本发明涉及一种小直径管嘴与铝合金薄壁结构的加工方法，尤其是一种小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法。

背景技术

小直径管嘴与薄壁球（冠）面、圆弧面及平板等薄壁结构垂直装配的焊接结构广泛应用于航空、航天、石油管道、压力容器、汽车等国家重点工业行业。机械加工的小直径管嘴和通常钣金成形的薄壁板材由于结构上的巨大差异和普通焊接热源不集中、邻近熔池交互影响等原因导致该焊缝的焊接性差、质量问题突出和变形难以控制，但该结构的重要性往往又对焊缝强度、焊缝致密性、抗疲劳性等有严格的要求。如图1所示，现有的小直径管嘴与铝合金薄壁结构之间的焊接技术，通常先将小直径管嘴与铝合金薄壁结构装配定位后，再采用TIG焊接工艺焊接角焊缝。在该技术中，小直径管嘴与铝合金薄壁结构之间需要反复的定位、校形和检测，操作繁琐而且不容易达到要求，同时薄壁结构和小直径小直径管嘴均为化学活性强、线膨胀系数大、导热性好的铝合金，TIG焊接时，由于能量密度低、热源不集中、热影响区大等特点导致环焊缝区域相邻熔池交互影响，在焊接热循环和大拘束度共同作用下，焊接变形和缺陷问题十分突出，难以满足产品设计的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、焊接质量高、工件变形小的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，它采用以下步骤来实现：

1)    加工铝合金薄壁结构，在铝合金薄壁结构的边部安装圆环，在铝合金薄壁结构上加工用于装配小直径管嘴的安装孔；

2)    加工小直径管嘴，对小直径管嘴进行机加工，其中在小直径管嘴的外壁上加工有凸台；

3)    定位铝合金薄壁结构，利用圆环将铝合金薄壁结构定位在焊接工装上，其中圆环紧贴在工装的限位面上，保证安装孔中心线与电子束轴线方向一致；

4)    将小直径管嘴装配到铝合金薄壁结构的安装孔内，小直径管嘴的外壁与安装孔过盈配合，凸台搭接在安装孔上方并与铝合金薄壁结构紧密贴合，保证小直径管嘴的中心线与铝合金薄壁结构的安装孔的中心线一致；

5)    采用真空电子束焊接，按照安装孔外圆轨迹，在数控系统控制的电子束焊接设备上进行编程示教，选用匹配的电子束焊接参数对小直径管嘴与铝合金薄壁结构的配合处进行焊接，其中将小直径管嘴的外壁与安装孔焊接在一起，将小直径管嘴的凸台熔化连接在铝合金薄壁结构上，焊接过程中须保证电子束轴线、安装孔中心线、小直径管嘴中心线的方向一致；

6)    打磨去除焊缝的正面凹陷和反面飞溅及丁尖状焊漏，保证焊缝不低于铝合金薄壁结构表面并与铝合金薄壁结构表面圆滑过渡。

由于采用了上述方法，具有凸台的小直径管嘴，采用电子束焊工艺与铝合金薄壁结构焊接，提高了产品焊接合格率。电子束焊能量密度高、焊速快、线能量低和热影响区小，其焊缝可一次焊接成形，工件变形小，质量高。小直径管嘴采用凸台结构，增加了焊缝熔池熔化量和焊漏余量，在电子束焊过程中，通常是不填丝焊接的，因此在保证熔透的前提下铝合金薄壁结构上一般会形成凹陷，该凸台在电子束焊接时自熔于焊接过程中产生的凹陷上，从而增加了焊接有效厚度和熔池熔化量，使产品即使有部分凹陷，但焊接有效厚度依然满足设计要求。薄壁结构上产生的表面凹陷和焊缝反面飞溅及丁尖状缺陷，可以进行打磨修整以满足产品验收要求，有效降低焊接工艺难度。由于小直径管嘴具有凸台的结构，使得小直径管嘴的装配过程极其简单且尺寸控制精确，直接将小直径管嘴插入安装孔即可，无需反复的定位、校形和检测，减少了定位操作的步骤，节约了时间和成本。步骤1）中，在铝合金薄壁结构的边部安装圆环，使得铝合金薄壁结构便于固定在焊接工装上，使其保持一定的倾角，有利于调节焊接姿态，简化焊接工艺；步骤2）中，在加工小直径管嘴的时候，在其外壁上加工有凸台，使得该小直径管嘴具有新型的结构，便于采用电子束进行焊接；步骤3）将圆环紧贴在工装的限位面上，保证安装孔中心线与电子束轴线方向一致，从而更利于安装管嘴以及便于焊接的操作；步骤4）保证了小直径管嘴的中心线与铝合金薄壁结构垂直连接关系；步骤5）采用数控系统控制的电子束进行焊接，使得焊接处更加精确，电子束将凸台熔化在安装孔周围的铝合金薄壁结构上，使得凸台自熔填补焊接过程中出现的凹陷；步骤6）对薄壁结构上产生的表面凹陷和焊缝反面飞溅及丁尖状缺陷，进行打磨修整以满足产品验收要求，有效降低焊接工艺难度。

本发明的小直径小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，步骤2）中，加工凸台，凸台半径比安装孔的半径大3～4mm，所述凸台厚度为0.5～1mm。

由于小直径管嘴采用凸台结构，使得小直径管嘴与铝合金薄壁结构便于实现对接安装，焊缝两侧对称性好，焊接缺陷少和变形少，致密性高。由于凸台增加了待焊焊缝的厚度，使得凸台熔化后自动填充不填丝电子束焊接形成的凹陷内，提高了焊缝有效厚度，以提供足够的焊缝余量供修整打磨。选择有效半径和厚度的凸台，更利于凸台在焊接过程中自熔。

本发明的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，步骤3）中，所述焊接工装限位面的倾斜角大小为α，和安装孔中心线与球冠旋转轴线之间的夹角一致。

由于采用了上述的结构，工装可分为底面、限位面和四个侧面，其中限位面与水平面的夹角即为限位面倾斜角α，同时安装孔中心线与铝合金薄壁结构旋转轴线之间的夹角大小也为α，保证安装孔中心线与电子束轴线方向一致，从而保证采用电子束焊工艺来完成焊接。

所述工装采用非导磁性材料制成。

采用非导磁性材料制成，避免焊接时对电子束造成干扰。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，具有焊接凸台的小直径管嘴，采用电子束焊工艺与铝合金薄壁结构焊接，提高了产品焊接合格率。电子束焊能量密度高、焊速快、线能量低和热影响区小，其焊缝可一次焊接成形，工件变形小，质量高；

2.本发明的的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，小直径管嘴采用凸台结构，使得小直径管嘴与铝合金薄壁结构便于对接安装，焊缝两侧对称性好，焊接缺陷少和变形少，致密性高；

3.本发明的的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，小直径管嘴设置有凸台，能够提高焊接有效厚度，增加了焊缝熔池熔化量和焊漏余量，即使在电子束焊产生表面凹陷和焊缝反面无成形焊漏垫板的情况，也可以进行打磨修整以满足产品验收要求，有效降低焊接工艺难度；

4.本发明的的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，装配过程极其简单且尺寸控制精确，直接将小直径管嘴插入安装孔即可，无需反复的定位、校形和检测；

5.本发明的的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，电子束焊采用数控系统控制，焊缝轨迹及焊接参数控制精确、灵活，工艺过程简单，可完全实现自动化，不受环境及操作人员技能、情绪等因素影响；

6.本发明的的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，工装设计简单、实用，有效降低了焊接工艺难度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是现有技术的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接处的结构示意图；

图2是本发明的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接处的结构示意图；

图3是本发明的小直径管嘴与铝合金薄壁结构焊接后的结构示意图。

附图标记：1-圆环、2-小直径管嘴、3-铝合金薄壁结构、4-固定压板、5-调节螺栓、6-连接螺杆、7-底座、8-固定螺栓、9-角焊缝、10-凸台。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1、图2所示，现有的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接技术一般形成角焊缝9，该结构不仅妨碍应用电子束焊接工艺，而且焊缝两侧对称性差，焊缝质量差、变形大。改进的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接技术，突破了该缺点，将角焊缝改为对接焊缝，并将小直径管嘴2的外壁上预留有凸台10，便于小直径管嘴2与铝合金薄壁结构3的精确定位，当焊接时凸台10自熔填补因焊接所形成的凹陷，使得安装孔待焊焊缝更厚，即使再产生表面凹陷，但仍可保证产品焊接有效厚度满足设计要求。图3是本发明的小直径管嘴与铝合金薄壁结构焊接后的结构示意图，圆环1包裹于铝合金薄壁结构3的边部，小直径管嘴2焊接于铝合金薄壁结构3上，铝合金薄壁结构3的根端通过固定压板4与底座7连接，固定压板4通过调节螺栓5调节铝合金薄壁结构3的位置，固定压板4通过连接螺栓6固定连接于底座7上，底座7的底端设置有固定螺丝8，便于底座的固定。

实施例1如图2和图3所述，本发明的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，其特征在于：它采用以下步骤来实现：

１）    加工铝合金薄壁结构3，所述铝合金薄壁结构3呈球冠状，在球冠的边部安装圆环1，在铝合金薄壁结构3的球冠上加工用于装配小直径管嘴2的安装孔。

先在铝合金薄壁结构3的边部安装圆环1，使整个铝合金薄壁结构3形成环状，使得铝合金薄壁结构3的具有一定的刚性，便于在铝合金薄壁结构3加工安装孔且便于焊接操作，同时便于将整个薄壁结构装配固定在焊接工装上，并保持一定的倾角。

２）    加工小直径管嘴2，对小直径管嘴2进行机加工，小直径管嘴2与薄壁结构安装孔呈过盈配合，其中在小直径管嘴2的外壁上加工有凸台10，凸台10的半径比安装孔半径大约3mm，厚度约为0.5㎜。

由于将小直径管嘴2与铝合金薄壁3巧妙的由角接改为对接结构并在小直径管嘴２的外壁上加工有凸台10，小直径管嘴2的装配过程极其简单且尺寸控制精确，直接将小直径管嘴2插入安装孔即可，无需反复的定位、校形和检测。由于设置有凸台10，使得在电子束焊接过程中，凸台10自熔于焊接过程中产生的凹陷，从而增加了焊接有效厚度和熔池熔化量，使产品焊接有效厚度依然满足设计要求，产生的表面凹陷和焊缝反面飞溅及丁尖状缺陷，可以进行打磨修整以满足产品验收要求，有效降低焊接工艺难度。

３）    定位铝合金薄壁结构3，将铝合金薄壁结构3定位在焊接工装上，其中圆环1紧贴在焊接工装的限位面上，使安装孔中心线与电子束轴线方向一致，所述工装限位面的倾斜角大小为α，和安装孔中心线与球冠旋转轴线之间的夹角一致，所述焊接工装采用非导磁性材料制成。

将铝合金薄壁结构3定位在带倾斜角度的工装上，工装包括六个面，其中底面是安装在加工台上，其余四个侧面无具体的作用，限位面用于安放铝合金薄壁结构3，其中限位面与水平面呈大小为α的夹角，因此其限位面的倾斜角为α，安装孔中心线与电子束轴线方向一致，即工装限位面的倾斜角和安装孔中心线与球冠旋转轴线之间的夹角一致，保证待焊环焊缝外表面，在电子束轴线方向上处于同一高度，且近似处于电子束发射方向的近似正前方，更加利于电子束的焊接。工装采用非导磁性材料制成，避免焊接时对电子束造成干扰。

４）    将小直径管嘴2装配到铝合金薄壁结构3的安装孔内，小直径管嘴2的外壁与安装孔过盈配合，凸台10搭接于铝合金薄壁结构安装孔上方并与其贴紧，小直径管嘴2的中心线与铝合金薄壁结构3的安装孔的中心线一致。

小直径管嘴2与铝合金薄壁结构3进行装配，凸台厚度为0.5，相当于增加了整个焊接厚度，以提供足够的焊漏余量供修整打磨，小直径管嘴2的中心线与铝合金薄壁结构3的安装孔的中心线一致，便于采用电子束进行焊接。

５）    采用真空电子束焊接，按照安装孔外圆轨迹，在数控系统控制的电子束焊接设备上进行编程示教，选用匹配的电子束焊接参数对小直径管嘴2与铝合金薄壁结构3的配合处进行焊接，其中小直径管嘴2的外壁与安装孔焊接在一起，将凸台10熔化在安装孔周围的铝合金薄壁结构3上，同时将焊接过程中须保证电子束轴线、安装孔中心线、小直径管嘴2中心线的方向一致。

    电子束焊采用数控系统控制，焊缝轨迹及焊接参数控制精确、灵活，工艺过程简单，可完全实现自动化，不受环境及操作人员技能、情绪等因素影响。凸台10自熔，填补焊接过程中铝合金薄壁结构3上的凹陷内，从而增加了焊接有效厚度和熔池熔化量，使产品即使有部分凹陷，但焊接有效厚度依然满足设计要求。

６）    打磨去除焊缝的正面凹陷和反面飞溅及丁尖状焊漏，保证焊缝不低于铝合金薄壁结构3表面并与铝合金薄壁结构3表面圆滑过渡。 

打磨掉焊接所留下的焊缝的凹陷和焊漏，且焊缝与球冠面圆滑过渡，使得焊接处更光洁，密封性更好。

实施例2与实施例1相似，不同之处在于，步骤4）中，球冠内侧的凸台10半径比安装孔半径大4mm，厚度为1.0mm，其能够满足提供足够的焊漏余量供修整打磨，同时保证凸台10自熔。根据实际需要，凸台（10）半径比安装孔的半径大3～4mm中任意选择，凸台（10）厚度0.5～1mm任意选择，以保证有足够的焊漏余量，同时又便于凸台10自熔。

本发明的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，其中步骤1）与步骤2）可以同时进行，也可以先进行步骤2）的操作，再进行步骤1）的操作，其实质是相同的，均为对小直径管嘴2和铝合金薄壁结构3的加工，其加工的先后顺便对本发明未有任何的影响，只需保证安装孔与小直径管嘴2的直径相同即可，以满足电子束焊接的需要。

本发明的铝合金薄壁结构3可以是薄壁平板状，也可以是薄壁球面（即球冠），还可以是圆弧面等多种结构，可以广泛地运用于铝合金的薄壁结构与小直径管嘴2的电子束焊接。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，其特征在于：它采用以下步骤来实现：

1）加工铝合金薄壁结构（3），在铝合金薄壁结构（3）的边部安装圆环（1），在铝合金薄壁结构（3）上加工用于装配小直径管嘴（2）的安装孔；

2）加工小直径管嘴（2），对小直径管嘴（2）进行机加工，其中在小直径管嘴（2）的外壁上加工有凸台（10），凸台（10）半径比安装孔半径大；

3）定位铝合金薄壁结构（3），利用圆环（1）将铝合金薄壁结构（3）定位在焊接工装上，其中圆环（1）紧贴在工装的限位面上，保证安装孔中心线与电子束轴线方向一致；

4）将小直径管嘴（2）装配到铝合金薄壁结构（3）的安装孔内，小直径管嘴（2）的外壁与安装孔过盈配合，凸台（10）搭接在安装孔上方并与铝合金薄壁结构（3）紧密贴合，保证小直径管嘴（2）的中心线与铝合金薄壁结构（3）的安装孔的中心线一致；

5）采用真空电子束焊接，按照安装孔外圆轨迹，在数控系统控制的电子束焊接设备上进行编程示教，选用匹配的电子束焊接参数对小直径管嘴（2）与铝合金薄壁结构（3）的连接处进行焊接，其中将小直径管嘴（2）的外壁与安装孔焊接在一起，将小直径管嘴（2）的凸台（10）熔化连接在铝合金薄壁结构（3）上，焊接过程中须保证电子束轴线、安装孔中心线、小直径管嘴（2）中心线的方向一致；

6）打磨去除焊缝的正面凹陷和反面飞溅及丁尖状焊漏，保证焊缝不低于铝合金薄壁结构（3）表面并与铝合金薄壁结构（3）表面圆滑过渡。

2.如权利要求1所述的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，其特征在于：步骤2）中，加工凸台（10），凸台（10）半径比安装孔的半径大3～4mm，所述凸台（10）厚度为0.5～1mm。

3.如权利要求1所述的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，其特征在于：步骤3）中，所述工装限位面的倾斜角大小为α，和安装孔中心线与球冠旋转轴线之间的夹角一致。

4.如权利要求１至3中任一项所述的小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，其特征在于：所述工装采用非导磁性材料制成。

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